JP2016197354A - Power distribution circuit for solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光発電システムに用いられる太陽電池の設置環境が悪く、一部が日陰等になった場合や、太陽電池間の出力特性にバラツキを生じた場合でも、システム全体の発電効率を高めることのできる電力配分回路に関する。 The present invention improves the power generation efficiency of the entire system even when the installation environment of solar cells used in a solar power generation system is bad and part of it is shaded or when the output characteristics between solar cells vary. The present invention relates to a power distribution circuit that can be increased.
なお、ここで「太陽電池」という用語は、複数直列接続された太陽電池セル(光発電素子)のストリングの両端に、バイパスダイオードが並列接続されたクラスタと、このようなクラスタを、単一もしくは複数直列接続して構成される太陽電池モジュールの両方を意味するものとする。 Here, the term “solar cell” means a cluster in which bypass diodes are connected in parallel to both ends of a string of solar cells (photovoltaic elements) connected in series, and such a cluster is a single or Both solar cell modules configured by connecting in series are meant.
年々、太陽電池の効率化及び大面積化が進んでおり、発電出力の大きい太陽電池が開発されている。このような大容量出力の太陽電池を用いた太陽光発電システムにおいては、個々の太陽電池間で発電出力にバラツキが生じた場合、システム全体で大きな出力低下を起こす可能性がある。このような太陽電池間の発電出力のバラツキは、一部の太陽電池に生じる日陰や経年の出力低下により生じる。 The efficiency and the area of solar cells are increasing year by year, and solar cells with large power generation output are being developed. In a solar power generation system using such a large-capacity output solar cell, if the power generation output varies between individual solar cells, there is a possibility that the output of the entire system is greatly reduced. Such variations in the power generation output between solar cells are caused by shaded or aged output reduction that occurs in some solar cells.
図21は、2枚の直列接続された太陽電池M1、M2からなる太陽光発電システムを模式的に示した図であって、これらの太陽電池M1、M2は、同一仕様のものが用いられている。 FIG. 21 is a diagram schematically showing a solar power generation system composed of two solar cells M1 and M2 connected in series. These solar cells M1 and M2 are of the same specification. Yes.
また、前記太陽電池M1、M2のそれぞれの正極端子P1と負極端子P2間にはバイパスダイオードBD1、BD2が接続されているとともに、太陽電池M1の正極端子P1と太陽電池M2の負極端子P2はそれぞれ、出力電路Aを介してパワーコンディショナ等の外部負荷に接続されている。 Further, bypass diodes BD1 and BD2 are connected between the positive terminal P1 and the negative terminal P2 of the solar cells M1 and M2, respectively, and the positive terminal P1 of the solar cell M1 and the negative terminal P2 of the solar cell M2 are respectively connected. The output is connected to an external load such as a power conditioner via an output electric circuit A.
これらの太陽電池M1、M2が両方とも日向に設置されていて、十分な太陽光が当たっている場合には、これらを総合した外部出力は、図22に太い実線で表示しているような、最大出力動作点をPmとする電流・電圧特性を示す。 When these solar cells M1 and M2 are both installed in the sun and are exposed to sufficient sunlight, the external output that combines them is as shown by the thick solid line in FIG. Current / voltage characteristics with the maximum output operating point as Pm are shown.
ところが、例えば、一方の太陽電池M2が日陰に入った場合には、太陽電池M2側の発電出力が低下して図23に太い実線で表示しているような、階段状の電流電圧特性を示す。同図において、領域(1)と領域(3)の面積を合わせたものは、太陽電池M1の発電出力(最大値)を表し、また、領域(2)の面積は、太陽電池M2の発電出力(最大値)を表している。 However, for example, when one solar cell M2 enters the shade, the power generation output on the side of the solar cell M2 decreases and shows a step-like current-voltage characteristic as indicated by a thick solid line in FIG. . In the figure, the sum of the areas of the region (1) and the region (3) represents the power generation output (maximum value) of the solar cell M1, and the area of the region (2) is the power generation output of the solar cell M2. (Maximum value).
このような電流・電圧特性において、最大出力動作点Pmが同図に示す位置にあった場合に得られる発電出力は、領域(1)と領域(2)の面積の和となり、ハッチングで示す領域(3)の部分は、発電出力には寄与することができないため損失となる。 In such current / voltage characteristics, the power generation output obtained when the maximum output operating point Pm is at the position shown in the figure is the sum of the areas of the areas (1) and (2), and is indicated by hatching. The part (3) is a loss because it cannot contribute to the power generation output.
一方、従来においては、特許文献1に記載されているように、個々の太陽電池モジュールに、マイクロインバータを搭載したAC太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムが提案されている。
On the other hand, conventionally, as described in
このような方式は、各々の太陽電池モジュールに対して最大電力追従(MPPT)制御を行い、その出力をDC/AC変換するようにした太陽電池モジュールで、日陰等による損失が少ないとされている。 Such a system is a solar cell module that performs maximum power follow-up (MPPT) control on each solar cell module and performs DC / AC conversion of its output, and is said to have little loss due to shade or the like. .
しかしながら、AC太陽電池モジュールは、複雑な変換回路を有するため、個々の太陽電池モジュールの製造コストが高くなるとともに、常時変換動作を行っているため、日陰が無い状態においても変換ロスが発生する問題があり、また、変換回路が故障した場合には、これを搭載している太陽電池モジュール自体が使用できなくなるため、信頼性にも問題があった。 However, since the AC solar cell module has a complicated conversion circuit, the manufacturing cost of each solar cell module is increased, and since the conversion operation is always performed, conversion loss occurs even in the absence of shade. In addition, when the conversion circuit breaks down, the solar cell module on which the conversion circuit is mounted cannot be used, so there is a problem in reliability.
そこで、本出願の発明者は、前述したような問題を解消して太陽電池間の発電出力のバラツキによるシステム全体の発電効率の低下を改善するために、特許文献2に記載されている太陽電池の電力配分回路を提案した。 Therefore, the inventor of the present application solves the above-described problems and improves the reduction in power generation efficiency of the entire system due to variations in power generation output between solar cells. A power distribution circuit was proposed.
特許文献2に記載されている電力配分回路は、主に、インダクタ、トランジスタやリレー等のスイッチング素子、及び、平滑コンデンサやローパスフィルタを用いた平滑回路からなる、簡単でエネルギ損失の少ない回路で構成されており、直列接続された隣り合う太陽電池間で、発電出力が大きい太陽電池側から発電出力の小さい太陽電池側へ、発電出力の一部を配分することで、太陽光発電システム全体の電流・電圧特性の改善を図っている。
The power distribution circuit described in
前記電力配分回路を前述した図21に示すシステムに組み込んだ場合、当該電力配分回路を動作させる前のシステム全体の電流電圧特性を示す曲線は、太陽電池M2側の発電出力が低下している場合、図24に破線で示すように、最大出力動作点をPmとする階段状となっているが、この電力配分回路を動作させることにより、太陽電池M1の発電出力の一部(3)’が太陽電池M2側に配分されて、その発電出力(2)に加算される。 When the power distribution circuit is incorporated in the system shown in FIG. 21, the curve indicating the current-voltage characteristics of the entire system before operating the power distribution circuit is when the power generation output on the solar cell M2 side is reduced. As shown by a broken line in FIG. 24, the maximum output operating point has a stepped shape with Pm. By operating this power distribution circuit, a part (3) ′ of the power generation output of the solar cell M1 is obtained. It is distributed to the solar cell M2 side and added to the power generation output (2).
前記領域(3’)の面積は、図23に示す太陽電池M1の発電出力の利用できない領域(3)の略半分の面積であり、この面積分の電力が、電力配分回路1を介して太陽電池M1側から太陽電池M2側へ配分されることで、システム全体の電流電圧特性は、同図に太い実線で示す最大電力動作点をP’mとする平滑化された特性に改善されて発電効率が向上する。 The area of the region (3 ′) is approximately half the area of the region (3) where the power generation output of the solar cell M1 shown in FIG. 23 cannot be used. By allocating from the battery M1 side to the solar cell M2 side, the current-voltage characteristic of the entire system is improved to a smoothed characteristic in which the maximum power operating point indicated by a thick solid line in FIG. Efficiency is improved.
前述した特許文献2で提案されている太陽電池の電力配分回路は、回路自体の損失が少なく、回路構成が簡単で小型化できる利点を有しているとともに、万一回路に故障が生じた場合でも太陽光発電システム自体が使用不能に陥ることが無いため、高い信頼性を有している。
The power distribution circuit for solar cells proposed in
しかしながら、近年においては、システムを構成している個々の太陽電池が大容量化してきたため、前述したような従来の電力配分回路では、太陽電池間で配分される電力が不足して十分な効果が得られない可能性がある。 However, in recent years, since the capacity of individual solar cells constituting the system has increased, the conventional power distribution circuit as described above has a sufficient effect because the power distributed between the solar cells is insufficient. It may not be obtained.
そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決し、日陰等によって発電出力に差が生じた太陽光発電システムの太陽電池間で大きな電力を配分することができ、システムの電流電圧特性に現れる段差を平滑化して発電効率を改善することができる太陽電池の電力配分回路を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the problems in the prior art as described above, and can distribute a large amount of power between solar cells of a photovoltaic power generation system in which a difference in power generation output occurs due to shade or the like. An object of the present invention is to provide a power distribution circuit for a solar cell that can smooth a step appearing in voltage characteristics and improve power generation efficiency.
前記目的のために提供される本発明の電力配分回路は、それぞれ、バイパスダイオードが並列に接続されているとともに、外部負荷に対して複数直列接続された太陽電池の、前後に隣合う相互間に設けられる電力配分回路であって、前段の太陽電池の正極端子と導通する、第1の充放電路と、前段の太陽電池の負極端子と導通する、第2の充放電路と、後段の太陽電池の正極端子と導通する、第3の充放電路と、後段の太陽電池の負極端子と導通する、第4の充放電路と、一方の端が第1の充放電路と接続され、他方の端が第2の充放電路と接続された、第1の連絡電路と、一方の端が第1の充放電路と接続され、他方の端が第2の充放電路と接続された、第2の連絡電路と、一方の端が第3の充放電路と接続され、他方の端が第4の充放電路と接続された、第3の連絡電路と、一方の端が第3の充放電路と接続され、他方の端が第4の充放電路と接続された、第4の連絡電路と、第1の連絡電路に、第1の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第1のスイッチング素子と、第1の連絡電路に、第2の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第2のスイッチング素子と、第2の連絡電路に、第1の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第3のスイッチング素子と、第2の連絡電路に、第2の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第4のスイッチング素子と、第3の連絡電路に、第3の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第5のスイッチング素子と、第3の連絡電路に、第4の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第6のスイッチング素子と、第4の連絡電路に、第3の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第7のスイッチング素子と、第4の連絡電路に、第4の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第8のスイッチング素子と、一方の端が第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子の間で第1の連絡電路と接続され、他方の端が第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子の間で第2の連絡電路と接続された第1の巻線、及び、当該巻線と磁気的に結合されて、一方の端が第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子の間で第3の連絡電路と接続され、他方の端が第7のスイッチング素子と第8のスイッチング素子の間で第4の連絡電路と接続された第2の巻線を有する、巻線比1:1のトランスと、第1の充放電路と第2の充放電路間に跨って接続された、第1のコンデンサと、第3の充放電路と第4の充放電路間に跨って接続された、第2のコンデンサと、前段の太陽電池の出力電圧を検出する、第1の電圧センサと、後段の太陽電池の出力電圧を検出する、第2の電圧センサと、前記それぞれのスイッチング素子を共通の周期でON/OFF動作を反復させる、スイッチング制御回路とを備えている。 The power distribution circuit according to the present invention provided for the above-described purpose includes a plurality of solar cells connected in series with each other, with bypass diodes connected in parallel and connected in series to an external load. A power distribution circuit provided, the first charge / discharge path that is electrically connected to the positive terminal of the preceding solar cell, the second charge / discharge path that is electrically connected to the negative terminal of the preceding solar battery, and the subsequent solar A third charging / discharging path that conducts with the positive electrode terminal of the battery, a fourth charging / discharging path that conducts with the negative electrode terminal of the subsequent solar battery, one end connected to the first charging / discharging path, and the other The first communication circuit, one end of which is connected to the second charge / discharge path, one end is connected to the first charge / discharge path, and the other end is connected to the second charge / discharge path, The second communication circuit, one end is connected to the third charge / discharge path, and the other end is the fourth charge / discharge A fourth communication circuit, one end connected to the third charge / discharge path, and the other end connected to the fourth charge / discharge path, and Next to the connection point with the first charging / discharging path, the first switching element and the first connection circuit with the second charging / discharging path adjacent to the connection point with the second charging / discharging path Embedded in the second switching element and the second communication circuit, adjacent to the connection point of the first charging / discharging path, and the third switching element and the second connection circuit. The fourth switching element incorporated adjacent to the connection point with the second charge / discharge path and the third connection electrical circuit incorporated adjacent to the connection point with the third charge / discharge path. The fifth switching element and the third communication circuit are incorporated adjacent to the connection point with the fourth charge / discharge path, The fourth switching circuit and the fourth connection circuit are incorporated next to the connection point of the third charge and discharge path, and the seventh switching element and the fourth connection circuit are connected to the fourth charge and discharge path. And an eighth switching element incorporated adjacent to the connection point between the first switching element and one end of the eighth switching element connected to the first communication circuit between the first switching element and the second switching element. A first winding connected to the second communication circuit between the third switching element and the fourth switching element, and a magnetically coupled to the winding, and one end of the first winding is the fifth switching The second winding is connected to the third communication circuit between the element and the sixth switching element, and the other end is connected to the fourth communication circuit between the seventh switching element and the eighth switching element. Transformer with 1: 1 winding ratio with wire and first charge / discharge A first capacitor connected across the electrical path and the second charge / discharge path, a second capacitor connected across the third charge / discharge path and the fourth charge / discharge path, and the previous stage The first voltage sensor that detects the output voltage of the solar cell, the second voltage sensor that detects the output voltage of the subsequent solar cell, and the ON / OFF operation of the respective switching elements in a common cycle And a switching control circuit to be repeated.
前記スイッチング制御回路は、第1と第4のスイッチング素子の組と第2と第3のスイッチング素子の組は、それぞれの組内では同位相で、且つ、これらの組間では逆位相で、第5と第8のスイッチング素子の組と第6と第7のスイッチング素子の組は、それぞれの組内では同位相で、且つ、これらの組間では逆位相で各スイッチング素子をON/OFF動作させるとともに、第1の電圧センサの検出値が第2の電圧センサの検出値よりも大きい場合には、第1と第4のスイッチング素子の組と第2と第3のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングを、第5と第8のスイッチング素子の組と第6と第7のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングよりも所定の位相角δ(ただし、0<δ<π)だけ進相させ、第2の電圧センサの検出値が第1の電圧センサの検出値よりも大きい場合には、第5と第8のスイッチング素子の組と第6と第7のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングを、第1と第4のスイッチング素子の組と第2と第3のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングよりも所定の位相角δ(ただし、0<δ<π)だけ進相させることを特徴としている。 In the switching control circuit, the first and fourth switching element sets and the second and third switching element sets have the same phase in each set, and the opposite phases between these sets. The group of the fifth and eighth switching elements and the group of the sixth and seventh switching elements are operated in the same phase within each group, and each switching element is turned on / off with an opposite phase between these groups. At the same time, when the detection value of the first voltage sensor is larger than the detection value of the second voltage sensor, switching consisting of a set of the first and fourth switching elements and a set of the second and third switching elements. The ON / OFF operation timing of the element group is set to be higher than the ON / OFF operation timing of the switching element group including the fifth and eighth switching element groups and the sixth and seventh switching element groups. Phase angle δ (where 0 <δ <π), and when the detection value of the second voltage sensor is larger than the detection value of the first voltage sensor, the fifth and eighth switching elements The ON / OFF operation timing of the switching element group consisting of the set of No. 6 and the set of the sixth and seventh switching elements consists of the set of the first and fourth switching elements and the set of the second and third switching elements. It is characterized in that the phase is advanced by a predetermined phase angle δ (where 0 <δ <π) with respect to the timing of the ON / OFF operation of the switching element group.
本発明の電力配分回路においては、スイッチング制御回路は、第1の電圧センサと第2の電圧センサの各検出値に基づいて、下式で表されるトランスの第1の巻線と第2の巻線間で受け渡される移動電力Pが最大となる位相角δを算定する演算部を備えていることが望ましい。
P=(V1V2/ωLs)・δ(1−δ/π)
In the power distribution circuit of the present invention, the switching control circuit includes the first winding and the second winding of the transformer represented by the following formula based on the detection values of the first voltage sensor and the second voltage sensor. It is desirable to include a calculation unit that calculates the phase angle δ that maximizes the moving power P delivered between the windings.
P = (V1V2 / ωLs) · δ (1-δ / π)
ここで、V1は、第1の電圧センサによって検出される前段の太陽電池の出力電圧、V2は、第2の電圧センサによって検出される後段の太陽電池の出力電圧、ωは、各スイッチング素子のON/OFF動作の角周波数、Lsはトランスの漏れインダクタンスをそれぞれ表す。 Here, V1 is the output voltage of the former solar cell detected by the first voltage sensor, V2 is the output voltage of the latter solar cell detected by the second voltage sensor, and ω is the output voltage of each switching element. The angular frequency of the ON / OFF operation, Ls, represents the leakage inductance of the transformer.
請求項1に記載された発明によれば、太陽光発電システムに使用される各太陽電池間に、日陰や受光面の汚れ、経年劣化等によって、発電出力にバラツキが生じた場合に、各太陽電池間でバランス良く電力を配分することができる。 According to the first aspect of the present invention, when the power generation output varies between the solar cells used in the photovoltaic power generation system due to shade, dirt on the light receiving surface, aging deterioration, etc. Power can be distributed in a balanced manner between batteries.
その結果、太陽光発電システム全体の電流電圧特性の段差が平滑化されて、本来、発電出力として利用することができず、損失となっていた電力が利用可能となるため、発電効率を高めることができる。
また、電流電圧特性の段差が平滑化されるため、パワーコンディショナの最大出力動作点の検出が容易となり、MPPTミスマッチ損失を回避することができる。
As a result, the difference in the current-voltage characteristics of the entire photovoltaic power generation system is smoothed, and the power that was originally lost cannot be used and the lost power can be used. Can do.
In addition, since the step of the current-voltage characteristic is smoothed, the maximum output operating point of the power conditioner can be easily detected, and MPPT mismatch loss can be avoided.
そして、特に本発明の電力配分回路の主要部分は、リレーやFET(電界効果トランジスタ)等のスイッチング素子、トランス、コンデンサ等から構成されており、構造が簡単であるとともに、DAB(Dual Active Bridge)型の双方向DC−DCコンバータの原理を応用しているため、発電出力に差が生じている太陽電池の相互間で大きな電力を配分することが可能であり、近年の発電容量の大きい太陽電池に対応することができる。 The main part of the power distribution circuit of the present invention is composed of switching elements such as relays and FETs (field effect transistors), transformers, capacitors, etc., and has a simple structure and DAB (Dual Active Bridge). Since the principle of the bidirectional DC-DC converter is applied, it is possible to distribute a large amount of power among solar cells having a difference in power generation output, and a solar cell having a large power generation capacity in recent years It can correspond to.
また、従来のAC太陽電池モジュールを用いたシステムでは、日陰が無い時も、常時AC/DC変換による回路損失が生じているのに対して、本発明の電力配分回路は、日陰が無い場合にはその動作を停止させて回路損失による発電効率の低下を防ぐことができる。 In addition, in the system using the conventional AC solar cell module, even when there is no shade, circuit loss due to AC / DC conversion always occurs, whereas the power distribution circuit according to the present invention has no shade. Can stop its operation and prevent the power generation efficiency from being reduced due to circuit loss.
さらに、従来のAC太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールに搭載されているマイクロインバータが故障すると、太陽電池モジュール自体も使用不能となるが、本発明の電力配分回路では、万一故障が発生してその機能が停止した場合でも、太陽光発電システム自体の機能に支障を生じる恐れがない。 Furthermore, in the solar power generation system using the conventional AC solar cell module, when the micro inverter mounted on the solar cell module fails, the solar cell module itself becomes unusable, but in the power distribution circuit of the present invention, Even if a failure occurs and its function stops, there is no possibility that the function of the photovoltaic power generation system itself will be disturbed.
請求項2に記載された発明によれば、電力配分回路の一部を構成しているスイッチング制御回路が、太陽電池間で配分される電力が最大になるように各スイッチング素子の動作を制御する機能を有しているため、太陽光発電システム全体の発電効率を可及的に高めることができる。
According to the invention described in
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。図1に示す実施形態は、外部負荷に対して直列接続された2つの太陽電池M1、M2から構成されている太陽光発電システムに、本発明の電力配分回路1を組み込んだ例を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment shown in FIG. 1 shows an example in which the
同図に示すように、太陽電池M1の正極端子P1と太陽電池M2の負極端子P2は、出力電路Aを介してパワーコンディショナ等の外部負荷と接続されており、また、太陽電池M1の負極端子P2と太陽電池M2の正極端子P1との間は、連結電路Bで接続されている。また、これらの太陽電池M1、M2の正極端子P1と負極端子P2間にはそれぞれ、バイパスダイオードBD1、BD2が接続されている。 As shown in the figure, the positive terminal P1 of the solar cell M1 and the negative terminal P2 of the solar cell M2 are connected to an external load such as a power conditioner via the output electric circuit A, and the negative electrode of the solar cell M1. The terminal P2 and the positive terminal P1 of the solar cell M2 are connected by a connecting electric circuit B. Further, bypass diodes BD1 and BD2 are connected between the positive terminal P1 and the negative terminal P2 of the solar cells M1 and M2, respectively.
なお、以下の説明においては、これらの太陽電池M1、M2の前後の向きはそれぞれ正極端子P1側を前側、負極端子P2側を後側とし、M1を前段の太陽電池、M2を後段の太陽電池とする。 In the following description, the front and rear directions of these solar cells M1 and M2 are respectively the positive terminal P1 side as the front side and the negative terminal P2 side as the rear side, M1 as the front solar cell, and M2 as the rear solar cell. And
本発明の電力配分回路1は、前段の太陽電池M1の正極端子P1に、出力電路A上の接続点j1を介して導通する充放電路2(第1の充放電路)と、当該太陽電池M1の負極端子P2に、連結電路B上の接続点j2を介して導通する充放電路3(第2の充放電路)を有している。
The
また、この電力配分回路1は、後段の太陽電池M2の正極端子P1に、連結電路B上の接続点j3を介して導通する充放電路4(第3の充放電路)と、当該太陽電池M2の負極端子P2に、出力電路A上の接続点j4を介して導通する充放電路5(第4の充放電路)を有している。
In addition, the
充放電路2と充放電路3の間は、連絡電路6(第1の連絡電路)と連絡電路7(第2の連絡電路)で連絡されている。また、充放電路4と充放電路5の間は、連絡電路8(第3の連絡電路)と連絡電路9(第4の連絡電路)で連絡されている。
The charging / discharging
前記連絡電路6には、充放電路2との接続点j5と隣り合って、スイッチング素子S11(第1のスイッチング素子)が組み込まれており、充放電路3との接続点j6と隣り合って、スイッチング素子S12(第2のスイッチング素子)が組み込まれている。
A switching element S11 (first switching element) is incorporated in the
また、連絡電路7には、充放電路2との接続点j7と隣り合って、スイッチング素子S13(第3のスイッチング素子)が組み込まれており、充放電路3との接続点j8と隣り合って、スイッチング素子S14(第4のスイッチング素子)が組み込まれている。
In addition, a switching element S13 (third switching element) is incorporated in the connection
さらに、連絡電路8には、充放電路4との接続点j9と隣り合って、スイッチング素子S21(第5のスイッチング素子)が組み込まれており、充放電路5との接続点j10と隣り合って、スイッチング素子S22(第6のスイッチング素子)が組み込まれている。
Further, the
また、連絡電路9には、充放電路4との接続点j11と隣り合って、スイッチング素子S23(第7のスイッチング素子)が組み込まれており、充放電路5との接続点j12と隣り合って、スイッチング素子S24(第8のスイッチング素子)が組み込まれている。
In addition, a switching element S23 (seventh switching element) is incorporated in the connection
本実施形態の電力配分回路1においては、スイッチング素子S11〜S24としてトランジスタ(FET)を用いている。なお、これらのスイッチング素子にはリレーを用いてもよい。
In the
連絡電路6上のスイッチング素子S11とスイッチング素子S12間の接続点j13と、連絡電路7上のスイッチング素子S13とスイッチング素子S14間の接続点j14にはそれぞれ、トランスTの巻線L1(第1の巻線)の両端が接続されている。
A connection point j13 between the switching element S11 and the switching element S12 on the
また、連絡電路8上のスイッチング素子S21とスイッチング素子S22間の接続点j15と、連絡電路9上のスイッチング素子S23とスイッチング素子S24間の接続点j16にはそれぞれ、トランスTの巻線L2(第2の巻線)の両端が接続されている。
Further, the connection point j15 between the switching element S21 and the switching element S22 on the
なお、前記2つの巻線L1、L2は、これらの一方がトランスTの1次側巻線を、他方が2次側巻線を構成するものであり、図1においては作図の都合上、巻線L1側と巻線L2側の両方にトランスTを表示しているが、これらは同じ1つのものを表している。なお、巻線L1とL2の巻線比は1:1としてある。 Note that one of the two windings L1 and L2 constitutes the primary side winding of the transformer T, and the other constitutes the secondary side winding. In FIG. Transformers T are displayed on both the line L1 side and the winding L2 side, and these represent the same one. The winding ratio between the windings L1 and L2 is 1: 1.
また、充放電路2上の接続点j17と充放電路3上の接続点j18との間に跨ってコンデンサC1(第1のコンデンサ)が接続されている。また、充放電路4上の接続点j19と充放電路5上の接続点j20との間に跨ってコンデンサC2(第2のコンデンサ)が接続されている。
In addition, a capacitor C1 (first capacitor) is connected across the connection point j17 on the charge /
充放電路2上の、接続点j1と隣り合う接続点j21と、充放電路3上の、接続点j2と隣り合う接続点j22間には、前段の太陽電池M1の正極端子P1と負極端子P2間の電圧を検出する電圧センサVS1(第1の電圧センサ)が接続されている。
Between the connection point j21 adjacent to the connection point j1 on the charge /
また、充放電路4上の、接続点j3と隣り合う接続点j23と、充放電路5上の、接続点j4と隣り合う接続点j24間には、後段の太陽電池M2の正極端子P1と負極端子P2間の電圧を検出する電圧センサVS2(第2の電圧センサ)が組み込まれている。
Between the connection point j23 adjacent to the connection point j3 on the charge /
さらに、充放電路2と充放電路3間には、各スイッチング素子S11〜S14が発生するスイッチングノイズを低減するとともに、これらの充放電路2、3を流れる電流の変動を平滑化するためのローパスフィルタLPF1が組み込まれている。
Furthermore, between the charging / discharging
また、充放電路4と充放電路5間には、各スイッチング素子S21〜S24が発生するスイッチングノイズを除去するとともに、これらの充放電路4、5を流れる電流の変動を平滑化するためのローパスフィルタLPF2が組み込まれている。なお、これらのローパスフィルタLPF1、LPF2は、省略しても電力配分回路1の動作は可能であるが、実用上は使用することが望ましい。
Moreover, between the charging / discharging
また、図1には図示していないが、電力配分回路1は、各スイッチング素子S11〜S24のON/OFFの切換動作を制御するためのスイッチング制御回路を有している。図2は、前記スイッチング制御回路のブロック図であって、同図に示すように、スイッチング制御回路10は、スイッチング素子S11〜S24のON/OFFのタイミングの基準となる共通のパルス信号を生成するパルス発振器を有している。
Although not shown in FIG. 1, the
前記パルス発振器が出力するパルス信号は位相制御部に入力される。位相制御部は前記パルス信号から位相差のある2つのパルス信号を生成し、その一方を相補回路CP1に、他方を相補回路CP2に伝送する。 The pulse signal output from the pulse oscillator is input to the phase controller. The phase control unit generates two pulse signals having a phase difference from the pulse signal, and transmits one of them to the complementary circuit CP1 and the other to the complementary circuit CP2.
相補回路CP1は、位相制御部から送られたパルス信号に基づいて、ドライバ回路D11とドライバ回路D12に、互いに逆位相のパルス信号を出力する。ドライバ回路D11は、相補回路CP1から送られたパルス信号に基づいて、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14を同位相で周期的にON/OFF動作させる。 The complementary circuit CP1 outputs pulse signals having opposite phases to the driver circuit D11 and the driver circuit D12 based on the pulse signal sent from the phase control unit. Based on the pulse signal sent from the complementary circuit CP1, the driver circuit D11 periodically performs ON / OFF operations of the switching element S11 and the switching element S14 in the same phase.
ドライバ回路D12は、相補回路CP1から送られたパルス信号に基づいて、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13を同位相で周期的にON/OFF動作させる。また、相補回路CP1により、ドライバ回路D11とドライバ回路D12の動作は相補的になるため、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組は、組どうし逆位相でON/OFFの動作が行われる。 Based on the pulse signal sent from the complementary circuit CP1, the driver circuit D12 causes the switching element S12 and the switching element S13 to periodically perform ON / OFF operations in the same phase. Further, since the operations of the driver circuit D11 and the driver circuit D12 are made complementary by the complementary circuit CP1, the pair of the switching element S11 and the switching element S14 and the pair of the switching element S12 and the switching element S13 are in opposite phases. ON / OFF operation is performed.
相補回路CP2は、位相制御部から送られたパルス信号に基づいて、ドライバ回路D21とドライバ回路D22に、互いに逆位相のパルス信号を出力する。ドライバ回路D21は、相補回路CP2から送られたパルス信号に基づいて、スイッチング素子S21とスイッチング素子S24を同位相で周期的にON/OFF動作させる。 The complementary circuit CP2 outputs pulse signals having opposite phases to the driver circuit D21 and the driver circuit D22 based on the pulse signal sent from the phase control unit. Based on the pulse signal sent from the complementary circuit CP2, the driver circuit D21 causes the switching element S21 and the switching element S24 to periodically perform ON / OFF operations in the same phase.
ドライバ回路D22は、相補回路CP2から送られたパルス信号に基づいて、スイッチング素子S22とスイッチング素子S23を同位相で周期的にON/OFF動作させる。また、相補回路CP2により、ドライバ回路D21とドライバ回路D22の動作は相補的になるため、スイッチング素子S21とスイッチング素子S24の組と、スイッチング素子S22とスイッチング素子S23の組は、組どうし逆位相でON/OFFの動作が行われる。 Based on the pulse signal sent from the complementary circuit CP2, the driver circuit D22 causes the switching element S22 and the switching element S23 to periodically perform ON / OFF operations in the same phase. Further, since the operations of the driver circuit D21 and the driver circuit D22 are complemented by the complementary circuit CP2, the pair of the switching element S21 and the switching element S24 and the pair of the switching element S22 and the switching element S23 are in opposite phases. ON / OFF operation is performed.
さらに、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組からなるスイッチング素子群と、スイッチング素子S21とスイッチング素子S24の組と、スイッチング素子S22とスイッチング素子S23の組からなるスイッチング素子群との間では、位相制御部で制御される位相差だけ動作タイミングに時間差が設けられる。 Furthermore, from the group of switching elements S11 and S14, the group of switching elements consisting of the group of switching elements S12 and S13, the group of switching elements S21 and S24, and the group of switching elements S22 and S23 A time difference is provided in the operation timing by the phase difference controlled by the phase control unit.
位相制御部で制御される位相差は、演算部が2つの電圧センサVS1、VS2が検出する電圧値に基づいて算定する。前記演算部はまた、各ドライバ回路D11〜D22への通電のON/OFF制御も行う。スイッチング制御回路10の動作の詳細については後述する。
The phase difference controlled by the phase control unit is calculated based on voltage values detected by the two voltage sensors VS1 and VS2 by the calculation unit. The arithmetic unit also performs ON / OFF control of energization to the driver circuits D11 to D22. Details of the operation of the switching
本実施形態のものにおいては、演算部をマイクロコンピュータで構成しており、これに内蔵されているプログラムに従って、全てのスイッチング素子S11〜S24の動作を制御している。なお、スイッチング制御回路は、全体を1つのマイクロコンピュータによって構成してもよい。 In the present embodiment, the calculation unit is constituted by a microcomputer, and the operations of all the switching elements S11 to S24 are controlled in accordance with a program incorporated therein. Note that the entire switching control circuit may be configured by a single microcomputer.
次に、前述したように構成されている電力配分回路1の動作を説明する。
図1に示すシステムにおいて、前段の太陽電池M1の発電出力が、後段の太陽電池M2の発電出力より大きい場合、同図のようにスイッチング素子S11〜S24が全てOFF(電力配分回路1が停止して機能していない状態)のときは、このシステムは、図3に実線で示すような、最大出力動作点をPmとする階段状の電流電圧特性を示す。
Next, the operation of the
In the system shown in FIG. 1, when the power generation output of the solar cell M1 at the front stage is larger than the power generation output of the solar battery M2 at the rear stage, all the switching elements S11 to S24 are turned off as shown in FIG. In this state, the system exhibits a step-like current-voltage characteristic with the maximum output operating point as Pm, as shown by a solid line in FIG.
なお、同図において破線で示す曲線は、太陽電池M1のみの電流電圧特性を表しており、前記最大出力動作点Pmにおいては、太陽電池M1自体は、前記破線上の点aで動作しており、V1aは太陽電池M1の出力電圧を表している。また、前記点Pmと点aと差V2aは、太陽電池M2の出力電圧を表しており、V1a>V2aとなっている。 In addition, the curve shown with the broken line in the figure represents the current-voltage characteristic of only the solar cell M1, and at the maximum output operating point Pm, the solar cell M1 itself operates at the point a on the broken line. , V1a represents the output voltage of the solar cell M1. The point Pm, the point a, and the difference V2a represent the output voltage of the solar cell M2, and V1a> V2a.
この状態から電力配分回路1を起動し、前記スイッチング制御回路10によって図4に示すタイミングで各スイッチング素子のON/OFFの切換動作を周期的に反復させる。なお、同図において、ハッチングを掛けて表示している部分は、スイッチング素子がONの状態を示しており、また横軸は、経過時間tに図2に示すスイッチング制御回路10中のパルス発振器の角周波数ωを掛けたωtで表示してある。
In this state, the
図4に示すように、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組は、それぞれの組内ではON/OFF動作が同期し、これらの組間ではON/OFF動作が逆位相で相補的に行われる。 As shown in FIG. 4, the switching element S11 and switching element S14 group and the switching element S12 and switching element S13 group synchronize ON / OFF operation within each group, and the ON / OFF between these groups. The operation is performed in a complementary manner with opposite phases.
また、スイッチング素子S21とスイッチング素子24の組と、スイッチング素子22とスイッチング素子S23の組は、それぞれの組内ではON/OFF動作が同期し、これらの組間ではON/OFF動作が逆位相で相補的に行われる。
In addition, the ON / OFF operation of the group of the switching element S21 and the switching
この際、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組からなるスイッチング素子群の周期的なON/OFF動作のタイミングを、スイッチング素子S21とスイッチング素子24の組と、スイッチング素子22とスイッチング素子S23の組からなるスイッチング素子群に対して所定の位相角δ(ただし、0<δ<π)だけ進ませる。
At this time, the periodic ON / OFF operation timing of the switching element group including the switching element S11 and the switching element S14 and the switching element S12 and the switching element S13 is set as follows. The switching element group consisting of the combination of the switching
前記4つのスイッチング素子S11〜S14の周期的なON/OFF動作により、太陽電池M1の出力電流の一部は、図4に実線で表示している、周期的に変化する電流It1に変換されてトランスTの一方の巻線L1に流れる。 Due to the periodic ON / OFF operation of the four switching elements S11 to S14, a part of the output current of the solar cell M1 is converted into a periodically changing current It1 indicated by a solid line in FIG. It flows in one winding L1 of the transformer T.
これに伴い、トランスTの他方の巻線L2には、前記巻線L1を流れる電流と逆向きに、図4に破線で表示している電流It2が誘起され、この電流It2は、太陽電池M2側の4つのスイッチング素子S21〜S24の周期的なON/OFF動作によって直流電流に整流される。 Accordingly, a current It2 indicated by a broken line in FIG. 4 is induced in the other winding L2 of the transformer T in the direction opposite to the current flowing through the winding L1, and this current It2 is the solar cell M2. The four switching elements S21 to S24 on the side are rectified into a direct current by a periodic ON / OFF operation.
この電流は、充放電路4から接続点j3で連結電路Bへ流れるときに、太陽電池M2の出力電流に加算されて、直列接続された前段の太陽電池M1へ流れる太陽電池M2の出力電流の不足分が補充される。一方、外部負荷から太陽電池M2へ流れる電流の余剰分は、接続点j4で充放電路5側へ迂回する。
This current is added to the output current of the solar cell M2 when flowing from the charging / discharging
なお、図4に示している電流It1と電流It2はそれぞれ、電力配分回路1を起動してから十分時間が経過して定常稼働状態に入った後の状態を示しており、電流It1と電流It2は、時間経過とともに、正逆方向(同図においては上下方向)に対称的に変化する。
It should be noted that currents It1 and It2 shown in FIG. 4 indicate states after a sufficient time has passed since the
以下、定常稼働状態における電力配分回路1の動作を、トランスTの巻線L1に流れる電流It1(巻線L2に流れる電流It2)の変化の1周期の中を、STEP1〜STEP6の6つの区間に分けて詳細に説明する。
Hereinafter, the operation of the
図4に示すように、STEP1はトランスTの巻線L1を流れる電流It1が0アンペアから増加してスイッチング素子S21、S24がONに、スイッチング素子S22、S23がOFFに切り替わるまでの期間とする。 As shown in FIG. 4, STEP1 is a period from when the current It1 flowing through the winding L1 of the transformer T increases from 0 ampere until the switching elements S21 and S24 are turned on and the switching elements S22 and S23 are turned off.
STEP2は、前記STEP1の終了時点からスイッチング素子S11、S14がOFFに、スイッチング素子S12、S13がONに切り替わるまでの期間とする。STEP3は、前記STEP2の終了時点から電流It1が減少して0アンペアになるまでの期間とする。 STEP2 is a period from the end of STEP1 until the switching elements S11 and S14 are turned off and the switching elements S12 and S13 are turned on. STEP3 is a period from the end of STEP2 until the current It1 decreases to 0 amperes.
STEP4は、前記STEP3の終了時点から、スイッチング素子S21、S24がOFFに、スイッチング素子S22、S23がONに切り替わるまでの期間とする。STEP5は、前記STEP4の終了時点から、スイッチング素子S11、S14がONに、スイッチング素子S12、S13がOFFに切り替わるまでの期間とする。 STEP4 is a period from the end of STEP3 until the switching elements S21 and S24 are turned off and the switching elements S22 and S23 are turned on. STEP5 is a period from the end of STEP4 until the switching elements S11 and S14 are turned on and the switching elements S12 and S13 are turned off.
STEP6は、前記STEP5の終了時点から、逆向きに流れていた電流It1が減少して0アンペアになるまでの期間とする。なお、前記STEP6以降は、再びSTEP1から動作が繰り返される。
図5は、前記STEP1における電力配分回路1中における電流の流れを模式的に説明する図であって、図中の矢印付の破線は、電力配分回路1に流れる電流を表している。
なお、同図を含む以降の電力配分回路1中の電流の流れを説明する各図においては、電流経路を分かり易くするため、図1中のローパスフィルタLPF1、LPF2と電圧センサVS1、VS2の図示は省略してある。
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the flow of current in the
In addition, in each figure explaining the current flow in the subsequent
また、図中、電力配分回路1に対して充放電路2と充放電路3から出入りする電流をIa、充放電路4と充放電路5から出入りする電流をIb、コンデンサC1を流れる電流をIc、コンデンサC2を流れる電流をIdで表記している。
さらに、電流It1、It2の流れる向きは、図中の巻線L1、L2をそれぞれ右向きに通過する向きを順方向とする。
In the figure, Ia represents the current flowing in and out of the charge /
Furthermore, the direction in which the currents It1 and It2 flow is defined as the forward direction in which the currents It1 and It2 respectively pass through the windings L1 and L2 in the right direction.
図4に示すように、STEP1においては、スイッチング素子S11、S14がONであり、電流It1は順方向に単調に増加し、また電流It2は、逆方向に単調に増加している。 As shown in FIG. 4, in STEP1, the switching elements S11 and S14 are ON, the current It1 monotonously increases in the forward direction, and the current It2 monotonously increases in the reverse direction.
また、図5に示すように、STEP1においては、太陽電池M1の正極端子P1から接続点j1を通って充放電路2へ電流Iaが流入する。前記電流Iaの一部は、接続点j17からコンデンサC1に電流Icとして分流してこれを充電するとともに、残りは、電流It1として充放電路2側から接続点j5を経由してトランスTの巻線L1を流れ、さらに、接続点j8から充放電路3側へ流れる。
As shown in FIG. 5, in STEP1, the current Ia flows from the positive terminal P1 of the solar cell M1 to the charge /
また、STEP1では巻線L1を通過した電流It1は、接続点j18でコンデンサC1を流れる電流Icと合流して電流Iaとなって充放電路3を流れ、接続点j2から連結電路Bを経由して太陽電池M1の負極端子P2へ流れる。
Further, in STEP1, the current It1 that has passed through the winding L1 merges with the current Ic that flows through the capacitor C1 at the connection point j18 to become the current Ia and flows through the charge /
一方、スイッチング素子S22、S23はONになっているため、トランスTの他方の巻線L2には、図4に示すように、前記電流It1とは逆方向に増加する電流It2が誘起される。この電流It2は、充放電路4側から接続点j11を経由して前記巻線L2を流れ、さらに接続点j10から充放電路5側へ流れる。
On the other hand, since the switching elements S22 and S23 are ON, as shown in FIG. 4, a current It2 that increases in the opposite direction to the current It1 is induced in the other winding L2 of the transformer T. This current It2 flows through the winding L2 from the charge /
また、STEP1では、コンデンサC2が放電され、その放電電流Idは、充放電路4との接続点j19で、巻線L2へ流れる電流It2と、充放電路4を流れる電流Ibに分流する。前記電流Ibは、接続点j3で太陽電池M2の出力電流に加算され、連結電路Bを経由して前段の太陽電池M1の負極端子P2へ流れる。
In
一方、充放電路5には、外部負荷と接続されている出力電路Aから接続点j4を経由して電流Ibが流入し、接続点j20で電流It2と合流して電流IdとなりコンデンサC2に流れる。
On the other hand, the current Ib flows into the charging / discharging
図6に示すように、STEP2では、スイッチング素子S11、S14がON、スイッチング素子S12、S13がOFFであり、充放電路2には太陽電池M1の正極端子P1から接続点j1を経由して電流Iaが流入し、接続点j17でコンデンサC1の放電電流Icと合流して電流It1として巻線L1に流れる。
As shown in FIG. 6, in STEP2, the switching elements S11 and S14 are ON, the switching elements S12 and S13 are OFF, and the current flows from the positive terminal P1 of the solar cell M1 to the charge /
前記電流It1はさらに、接続点j8で充放電路3へ流入し、接続点j18で分流してその一部は電流IcとしてコンデンサC1に流れるとともに、残りは接続点j2を経由して太陽電池M1の負極端子P2に流れる。なお、図4に示すように、STEP2においては、電流It1は緩やかに減少する。
The current It1 further flows into the charging / discharging
一方、STEP2では、スイッチング素子S21、S24がON、スイッチング素子S22、S23がOFFであり、図6に示すように、巻線L2には前記電流It1とは逆方向に電流It2が誘起される。 On the other hand, in STEP2, the switching elements S21 and S24 are ON, and the switching elements S22 and S23 are OFF. As shown in FIG. 6, a current It2 is induced in the winding L2 in the direction opposite to the current It1.
この電流It2は、接続点j9から充放電路4を流れ、接続点j19でその一部が電流IdとしてコンデンサC2に流入してこれを充電し、残りは電流Ibとして接続点j3で太陽電池M2の出力電流に加算され、連結電路Bを経由して前段の太陽電池M1の負極端子P2へ流れる。
This current It2 flows through the charging / discharging
一方、充放電路5には、出力電路Aとの接続点j4を経由して外部負荷側から電流Ibが流れる。前記電流Ibには接続点j20でコンデンサC2を流れる電流Idが加算されて電流It2として巻線L2へ流れる。
On the other hand, the current Ib flows through the charge /
次に、STEP3では、スイッチング素子S12、S13がON、スイッチング素子S11、S14がOFFであり、巻線L1には図4に示すように、電流It1が減少しながら順方向に流れる。 Next, in STEP3, the switching elements S12, S13 are ON and the switching elements S11, S14 are OFF, and the current It1 flows in the forward direction while decreasing in the winding L1, as shown in FIG.
前記電流It1は、図7に示すように、充放電路3側から接続点j6を経由して巻線L1を通り、接続点j7を経由して充放電路2側に流れ、充放電路2の接続点j17で、太陽電池M1の正極端子P1から接続点j1を経由して当該充放電路2に流入する電流Iaと合流し、電流IcとしてコンデンサC1に流れてこれを充電する。
As shown in FIG. 7, the current It1 flows from the charge /
電流Icはさらに、接続点j18で巻線L1に向かう電流It1と、充放電路3から接続点j2で連結電路Bを経由して太陽電池M1の負極端子P2に流れる電流Iaに分流する。
The current Ic is further shunted into a current It1 that goes to the winding L1 at the connection point j18 and a current Ia that flows from the charge /
また、STEP3においては、スイッチング素子S21、S24がON、スイッチング素子S22、S23がOFFであり、巻線L2に誘起される電流It2は、図4に示すように減少しながら逆方向に流れる。
In
前記電流It2は、充放電路5側から接続点j12を経由して巻線L2を通り、接続点j9を経由して充放電路2側に流れ、接続点j19でコンデンサC2から放電される電流Idと合流して電流Ibとなり、さらに充放電路4から接続点j3で太陽電池M2を流れる電流と加算されて太陽電池M1の負極端子P2に流れる。
The current It2 flows from the charge /
一方、充放電路5には、外部負荷から出力電路Aを流れる電流の一部が電流Ibとして接続点j4から流入し、接続点j20でコンデンサC2へ流れる電流Idと巻線L2へ流れる電流It2に分流する。
On the other hand, in the charge /
STEP4では、スイッチング素子S12、S13がON、スイッチング素子S11、S14がOFFであり、図8に示すように、電流It1は、充放電路2側から接続点j7を経由して巻線L1を逆方向に流れ、さらに、接続点j6から充放電路3側へ流れる。
In STEP4, the switching elements S12 and S13 are ON and the switching elements S11 and S14 are OFF. As shown in FIG. 8, the current It1 reverses the winding L1 via the connection point j7 from the charge /
また、スイッチング素子S21、S24がON、スイッチング素子S22、S23がOFFであり、巻線L2に誘起される電流It2は、充放電路4側から接続点j9を経由して巻線L2を順方向に流れ、さらに接続点j12から充放電路5側へ流れる。
Further, the switching elements S21 and S24 are ON, the switching elements S22 and S23 are OFF, and the current It2 induced in the winding L2 passes through the winding L2 from the charge /
図4に示すように、STEP4は、巻線L1に対する電流It1の向きと、巻線L2に対する電流It2の向きがそれぞれ、STEP1と逆になっているが、その他の電流の流れはSTEP1と同様である。
As shown in FIG. 4, in
STEP5では、スイッチング素子S11、S14がOFF、スイッチング素子S12、S13がONであり、図9に示すように、電流It1は、充放電路2側から接続点j7を経由して巻線L1を逆方向に流れ、さらに、接続点j6から充放電路3側へ流れる。
In STEP5, the switching elements S11 and S14 are OFF and the switching elements S12 and S13 are ON. As shown in FIG. 9, the current It1 reverses the winding L1 via the connection point j7 from the charge /
また、スイッチング素子S21、S24がOFF、スイッチング素子S22、S23がONであり、巻線L2に誘起される電流It2は、充放電路5側から接続点j10を経由して巻線L2を順方向に流れ、さらに接続点j11から充放電路4側へ流れる。
Further, the switching elements S21 and S24 are OFF, the switching elements S22 and S23 are ON, and the current It2 induced in the winding L2 is forward from the charging / discharging
図4に示すように、STEP5は、巻線L1に対する電流It1の向きと、巻線L2に対する電流It2の向きがそれぞれ、STEP2と逆になっているが、その他の電流の流れはSTEP2と同様である。
As shown in FIG. 4, in
STEP6では、スイッチング素子S11、S14がON、スイッチング素子S12、S13がOFFであり、図10に示すように、電流It1は充放電路3側から接続点j8を経由して巻線L1を逆方向に流れ、さらに、接続点j5から充放電路2側へ流れる。
In STEP6, the switching elements S11 and S14 are ON, and the switching elements S12 and S13 are OFF. As shown in FIG. 10, the current It1 flows through the winding L1 in the reverse direction via the connection point j8 from the charge /
また、スイッチング素子S21、S24がOFF、スイッチング素子S22、S23がONであり、巻線L2に誘起される電流It2は、充放電路5側から接続点j10を経由して巻線L2を順方向に流れ、さらに接続点j11から充放電路4側へ流れる。
Further, the switching elements S21 and S24 are OFF, the switching elements S22 and S23 are ON, and the current It2 induced in the winding L2 is forward from the charging / discharging
図4に示すように、STEP6は、巻線L1に対する電流It1の向きと、巻線L2に対する電流It2の向きがそれぞれ、STEP3と逆になっているが、その他の電流の流れはSTEP3と同様である。
As shown in FIG. 4, in
以上に説明したように、前段の太陽電池M1の発電電力が、後段の太陽電池M2の発電出力より大きい場合においては、電力配分回路1の充放電路4を流れる電流Ibが、STEP1〜STEP6の各期間で太陽電池M2の出力電流に加算されるため、図3中に一点鎖線で示すように、最大出力動作点P’mが移動して電流電圧特性が平滑化され、システムの発電効率が改善される。
As described above, when the generated power of the solar cell M1 at the front stage is larger than the power generation output of the solar battery M2 at the rear stage, the current Ib flowing through the charge /
次に、図1に示すシステムにおいて、後段の太陽電池M2の発電電力が、前段の太陽電池M1の発電出力より大きい場合には、図11のタイミングチャートに従って、各スイッチング素子S11〜S24のON/OFF動作を行う。 Next, in the system shown in FIG. 1, when the generated power of the subsequent solar cell M2 is larger than the generated output of the preceding solar cell M1, the switching elements S11 to S24 are turned on / off according to the timing chart of FIG. Performs an OFF operation.
同図に示すように、この場合には前述した図4の場合とは逆に、スイッチング素子S21とスイッチング素子24の組と、スイッチング素子22とスイッチング素子S23の組からなるスイッチング素子群の周期的なON/OFF動作のタイミングを、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組からなるスイッチング素子群に対して位相角δだけ進ませる。
As shown in the figure, in this case, contrary to the case of FIG. 4 described above, the periodicity of the switching element group composed of the combination of the switching element S21 and the switching
ここで、前述した図4の場合と同様に、定常稼働状態における電力配分回路1の動作をトランスTの巻線L1に流れる電流It1(巻線L2に流れる電流It2)の変化の1周期の中を、STEP1〜STEP6の6つの区間に分けて説明する。
Here, as in the case of FIG. 4 described above, the operation of the
図11に示すように、STEP1はトランスTの巻線L2を流れる電流It2が0アンペアから増加してスイッチング素子S11、S14がONに、スイッチング素子S12、S13がOFFに切り替わるまでの期間とする。 As shown in FIG. 11, STEP1 is a period from when the current It2 flowing through the winding L2 of the transformer T increases from 0 ampere until the switching elements S11 and S14 are turned on and the switching elements S12 and S13 are turned off.
STEP2は、前記STEP1の終了時点からスイッチング素子S22、S23がONに、スイッチング素子S21、S24がOFFに切り替わるまでの期間とする。STEP3は、前記STEP2の終了時点から電流It2が減少して0アンペアになるまでの期間とする。 STEP2 is a period from the end of STEP1 until the switching elements S22 and S23 are turned on and the switching elements S21 and S24 are turned off. STEP3 is a period from the end of STEP2 until the current It2 decreases to 0 amperes.
STEP4は、前記STEP3の終了時点から、スイッチング素子S11、S14がOFFに、スイッチング素子S12、S13がONに切り替わるまでの期間とする。STEP5は、前記STEP4の終了時点から、スイッチング素子S21、S24がONに、スイッチング素子S22、S23がOFFに切り替わるまでの期間とする。 STEP4 is a period from the end of STEP3 until the switching elements S11 and S14 are turned off and the switching elements S12 and S13 are turned on. STEP5 is a period from the end of STEP4 until the switching elements S21 and S24 are turned on and the switching elements S22 and S23 are turned off.
STEP6は、前記STEP5の終了時点から、逆向きに流れていた電流It2が減少して0アンペアになるまでの期間とする。なお、前記STEP6以降は、再びSTEP1から動作が繰り返される。
STEP6 is a period from the end of STEP5 until the current It2 flowing in the opposite direction decreases to 0 ampere. In
図11のSTEP1においては、スイッチング素子S21、S24がONであり、電流It2は順方向に単調に増加し、また電流It1は、逆方向に単調に増加している。同図のSTEP1においては、図12に示すように、太陽電池M2の正極端子P1から接続点j3を通って充放電路4へ電流Ibが流入する。
In STEP1 of FIG. 11, the switching elements S21 and S24 are ON, the current It2 monotonously increases in the forward direction, and the current It1 monotonously increases in the reverse direction. In STEP1 of the figure, as shown in FIG. 12, the current Ib flows into the charge /
前記電流Ibの一部は、接続点j19からコンデンサC2に電流Idとして分流してこれを充電するとともに、残りは、電流It2として充放電路4側から接続点j9を経由してトランスTの巻線L2を流れ、さらに、接続点j12から充放電路5側へ流れる。
A part of the current Ib is shunted from the connection point j19 to the capacitor C2 as the current Id and charged, and the rest is supplied as the current It2 from the charging / discharging
前記STEP1では、巻線L2を通過した電流It2は、接続点j20でコンデンサC2を流れる電流Idと合流して電流Ibとなって充放電路5を流れ、接続点j4から出力電路Aを経由して太陽電池M2の負極端子P2へ流れる。
In
一方、スイッチング素子S12、S13はONになっているため、トランスTの他方の巻線L1には、図11に示すように、前記電流It2とは逆方向に増加する電流It1が誘起される。この電流It1は、充放電路2側から接続点j7を経由して前記巻線L1を流れ、さらに接続点j6から充放電路3側へ流れる。
On the other hand, since the switching elements S12 and S13 are ON, as shown in FIG. 11, a current It1 that increases in the opposite direction to the current It2 is induced in the other winding L1 of the transformer T. This current It1 flows through the winding L1 from the charge /
また、STEP1では、コンデンサC1が放電され、その放電電流Icは、充放電路2との接続点j17で、巻線L1へ流れる電流It1と、充放電路2を流れる電流Iaに分流する。前記電流Iaは、接続点j1で太陽電池M1の出力電流に加算され、出力電路Aを経由して外部負荷へ流れる。
In
一方、充放電路3には、太陽電池M2の出力電流の一部が、連結電路Bとの接続点j2から分流して電流Iaとして流入し、接続点j18で電流It1と合流して電流IcとなりコンデンサC1に流れる。
On the other hand, a part of the output current of the solar cell M2 is shunted from the connection point j2 with the connection circuit B into the charge /
図13に示すように、STEP2では、スイッチング素子S21、S24がON、スイッチング素子S22、S23がOFFであり、充放電路4には太陽電池M2の正極端子P1から連結電路Bとの接続点j3を経由して電流Ibが流入し、接続点j19でコンデンサC2の放電電流Idと合流して電流It2として巻線L2に流れる。
As shown in FIG. 13, in STEP2, the switching elements S21 and S24 are ON, the switching elements S22 and S23 are OFF, and the charging / discharging
前記電流It2はさらに、接続点j12で充放電路5へ流入し、接続点j20で分流してその一部は電流IdとしてコンデンサC2に流れるとともに、残りは電流Ibとして接続点j4から出力電路Aを経由して太陽電池M2の負極端子P2に流れる。なお、図11に示すように、STEP2においては、電流It2は緩やかに減少する。
The current It2 further flows into the charging / discharging
一方、STEP2では、スイッチング素子S11、S14がON、スイッチング素子S12、S13がOFFであり、図13に示すように、巻線L1には前記電流It2とは逆方向に電流It1が誘起される。 On the other hand, in STEP2, the switching elements S11 and S14 are ON, and the switching elements S12 and S13 are OFF. As shown in FIG. 13, a current It1 is induced in the winding L1 in the direction opposite to the current It2.
この電流It1は、接続点j5から充放電路2を流れ、接続点j17でその一部が電流IcとしてコンデンサC1に流入してこれを充電し、残りは電流Iaとして接続点j1で太陽電池M1の出力電流に加算され、出力電路Aを経由して外部負荷に流れる。
This current It1 flows through the charging / discharging
一方、充放電路3には、連結電路Bとの接続点j2を経由して太陽電池M2側から電流Iaが流入する。前記電流Iaには接続点j18でコンデンサC1を流れる電流Icが加算されて電流It1として巻線L1へ流れる。
On the other hand, the current Ia flows into the charging / discharging
次に、STEP3では、スイッチング素子S22、S23がON、スイッチング素子S21、S24がOFFであり、巻線L2には図11に示すように、電流It2が減少しながら順方向に流れる。 Next, in STEP3, the switching elements S22 and S23 are ON, the switching elements S21 and S24 are OFF, and the current It2 flows in the winding L2 in a forward direction as shown in FIG.
前記電流It2は、図14に示すように、充放電路5側から接続点j10を経由して巻線L2を通り、接続点j11を経由して充放電路4側に流れ、充放電路4の接続点j19で、太陽電池M2の正極端子P1から接続点j3を経由して当該充放電路4に流入する電流Ibと合流し、電流IdとしてコンデンサC2に流れてこれを充電する。
As shown in FIG. 14, the current It2 flows from the charge /
前記電流Idはさらに、接続点j20で巻線L2に向かう電流It2と、充放電路5から接続点j4で出力電路Aを経由して太陽電池M2の負極端子P2に流れる電流Ibに分流する。
The current Id is further shunted into a current It2 that is directed to the winding L2 at the connection point j20 and a current Ib that flows from the charge /
また、STEP3においては、スイッチング素子S11、S14がON、スイッチング素子S12、S13がOFFであり、巻線L1に誘起される電流It1は、図11に示すように減少しながら逆方向に流れる。
In
前記電流It1は、充放電路3側から接続点j8を経由して巻線L1を通り、接続点j5を経由して充放電路2側に流れ、接続点j17でコンデンサC1から放電される電流Icと合流して電流Iaとなり、さらに充放電路2から接続点j1で太陽電池M1を流れる電流と加算され、出力電路Aを経由して外部負荷に流れる。
The current It1 flows from the charge /
一方、充放電路3には、連結電路Bを太陽電池M2側から太陽電池M1側へ流れる電流の一部が接続点j2から電流Iaとして流入して接続点j18でコンデンサC1へ流れる電流Icと巻線L1へ流れる電流It1に分流する。
On the other hand, in the charging / discharging
STEP4では、スイッチング素子S22、S23がON、スイッチング素子S21、S24がOFFであり、図15に示すように、電流It2は、充放電路4側から接続点j11を経由して巻線L2を逆方向に流れ、さらに、接続点j10から充放電路5側へ流れる。
In STEP4, the switching elements S22 and S23 are ON, and the switching elements S21 and S24 are OFF. As shown in FIG. 15, the current It2 reverses the winding L2 via the connection point j11 from the charge /
また、スイッチング素子S11、S14がON、スイッチング素子S12、S13がOFFであり、巻線L1に誘起される電流It1は、充放電路2側から接続点j5を経由して巻線L1を順方向に流れ、さらに接続点j8から充放電路3側へ流れる。
Further, the switching elements S11 and S14 are ON, the switching elements S12 and S13 are OFF, and the current It1 induced in the winding L1 is forward from the charging / discharging
図11に示すように、STEP4は、巻線L1に対する電流It1の向きと、巻線L2に対する電流It2の向きがそれぞれ、STEP1と逆になっているが、その他の電流の流れはSTEP1と同様である。
As shown in FIG. 11, in
STEP5では、スイッチング素子S21、S24がOFF、スイッチング素子S22、S23がONであり、図16に示すように、電流It2は、充放電路4側から接続点j11を経由して巻線L2を逆方向に流れ、さらに、接続点j10から充放電路5側へ流れる。
In STEP5, the switching elements S21 and S24 are OFF and the switching elements S22 and S23 are ON. As shown in FIG. 16, the current It2 reverses the winding L2 from the charge /
また、スイッチング素子S11、S14がOFF、スイッチング素子S12、S13がONであり、巻線L1に誘起される電流It1は、充放電路3側から接続点j6を経由して巻線L1を順方向に流れ、さらに接続点j7から充放電路3側へ流れる。
Further, the switching elements S11 and S14 are OFF, the switching elements S12 and S13 are ON, and the current It1 induced in the winding L1 flows forward through the winding L1 via the connection point j6 from the charge /
図11に示すように、STEP5は、巻線L1に対する電流It1の向きと、巻線L2に対する電流It2の向きがそれぞれ、STEP2と逆になっているが、その他の電流の流れはSTEP2と同様である。 As shown in FIG. 11, in STEP5, the direction of the current It1 with respect to the winding L1 and the direction of the current It2 with respect to the winding L2 are opposite to those in STEP2, but the other current flows are the same as in STEP2. is there.
STEP6では、スイッチング素子S21、S24がON、スイッチング素子S22、S23がOFFであり、図17に示すように、電流It2は充放電路5側から接続点j12を経由して巻線L2を逆方向に流れ、さらに、接続点j9から充放電路4側へ流れる。
In STEP6, the switching elements S21 and S24 are ON, and the switching elements S22 and S23 are OFF. As shown in FIG. 17, the current It2 flows in the reverse direction through the winding L2 via the connection point j12 from the charge /
また、スイッチング素子S11、S14がOFF、スイッチング素子S12、S13がONであり、巻線L1に誘起される電流It1は、充放電路3側から接続点j6を経由して巻線L1を順方向に流れ、さらに接続点j7から充放電路2側へ流れる。
Further, the switching elements S11 and S14 are OFF, the switching elements S12 and S13 are ON, and the current It1 induced in the winding L1 flows forward through the winding L1 via the connection point j6 from the charge /
図11に示すように、STEP6は、巻線L1に対する電流It1の向きと、巻線L2に対する電流It2の向きがそれぞれ、STEP3と逆になっているが、その他の電流の流れはSTEP3と同様である。
As shown in FIG. 11, in
以上に説明したように、後段の太陽電池M2の発電電力が、前段の太陽電池M1の発電出力より大きい場合においては、電力配分回路1の充放電路2を流れる電流Iaが、STEP1〜STEP6の各期間で太陽電池M1の出力電流に加算されるため、前述した前段の太陽電池M1の発電電力が、後段の太陽電池M2の発電出力より大きい場合と同様に、システムの発電効率が改善される。
As described above, when the generated power of the rear-stage solar cell M2 is larger than the power generation output of the front-stage solar cell M1, the current Ia flowing through the charge /
本発明の電力配分回路1は、トランスの両側にフルブリッジのスイッチング素子を設けた、DAB(Dual Active Bridge)型の双方向DC−DCコンバータの動作原理を応用して発電出力に差がある太陽電池M1と太陽電池M2間で電力配分を行っている。
The
前記DC−DCコンバータは、図1に示す電力配分回路1における4つのスイッチング素子S11〜S14とコンデンサC1に対応する4つのスイッチング素子のブリッジとコンデンサ、及び、4つのスイッチング素子S21〜S24とコンデンサC2に対応する4つのスイッチング素子のブリッジとコンデンサをそれぞれ有し、入力された直流を、入力側のコンデンサと4つのスイッチング素子のブリッジにより交流に変換してトランスの一次側巻線に供給し、その二次側巻線に誘起される交流を、出力側のコンデンサと4つのスイッチング素子のブリッジにより再び直流に変換して出力する動作を行っている。
The DC-DC converter includes four switching elements S11 to S14 and four switching element bridges and capacitors corresponding to the capacitor C1, and four switching elements S21 to S24 and a capacitor C2 in the
このようなDC−DCコンバータにおいては、トランスを介して入力側から出力側へ移動する電力Pは、入力電圧をV1、出力電圧をV2、スイッチングの角周波数をω、前記トランスの漏れインダクタンスとLsとしたとき、下記の式(1)によって与えられる。
P=(V1V2/ωLs)・δ(1−δ/π) (1)
In such a DC-DC converter, the electric power P moving from the input side to the output side via the transformer has the input voltage V1, the output voltage V2, the switching angular frequency ω, the leakage inductance of the transformer and the Ls. Is given by the following equation (1).
P = (V1V2 / ωLs) · δ (1-δ / π) (1)
ここで、δは入力側のスイッチング素子のブリッジと、出力側のスイッチング素子のブリッジ間のスイッチング動作のタイミングのずれを表す位相角であって、入力側が出力側に対して位相角δだけ進相している。なお、0<δ<πである。 Here, δ is a phase angle representing a timing shift of the switching operation between the bridge of the input side switching element and the bridge of the output side switching element, and the input side is advanced by the phase angle δ with respect to the output side. doing. Note that 0 <δ <π.
そこで、図1中に示す電力配分回路1においては、電圧センサVS1によって検出される太陽電池M1の出力電圧をV1、電圧センサVS2によって検出される太陽電池M2の出力電圧をV2、トランスTの漏れインダクタンスをLs、図2に示すスイッチング制御回路10のパルス発振器が出力するパルス信号の角周波数をωとして、電力配分回路1のトランスTを介して太陽電池M1と太陽電池M2の発電出力の大きい側から小さい側に配分される移動電力Pを前記式(1)によって算定する。
Therefore, in the
図18は、電力配分回路1における移動電力Pと位相角δとの関係を示すグラフであって、同図に示すように、δ=0、πにおいては移動電力Pは0である。V1とV2が一定値であれば、上記(1)式は、δ=π/2のとき移動電力Pが最大値になる。
FIG. 18 is a graph showing the relationship between the mobile power P and the phase angle δ in the
しかしながら、これらの電圧V1、V2は、電力配分回路1が動作させることにより、移動電力Pが生じると図3に示すように、システムの最大出力動作点の変化に応じて変化するため、電圧V1、V2とも位相角δによって変化する。
However, these voltages V1 and V2 change according to changes in the maximum output operating point of the system as shown in FIG. 3 when the mobile power P is generated by the operation of the
そこで、スイッチング制御回路10の演算部は、電圧センサVS1、VS2によって定期的にこれらの電圧V1、V2を測定して移動電力Pが最大値になるように、位相角δを制御する。
Therefore, the calculation unit of the switching
図19は、スイッチング制御回路10の動作フローを示す図であって、同図に示すように、回路起動時には、図1に示す全てのスイッチング素子S11〜S24をOFFにリセットする(A1)。
FIG. 19 is a diagram showing an operation flow of the switching
次いで電圧V1、V2を測定して(A2)、両者が等しいか否かを判定し(A3)、等しい場合には、2つの太陽電池M1、M2は発電出力に差が生じていないので、この場合にはタイマー(A4)を起動させて所定時間時間待ちした後、前記(A1)から再実行する。 Next, the voltages V1 and V2 are measured (A2), and it is determined whether or not they are equal (A3). If they are equal, the two solar cells M1 and M2 have no difference in power generation output. In this case, after starting the timer (A4) and waiting for a predetermined time, the process is restarted from (A1).
また、等しくない場合には、次に、電圧V1が電圧V2より大きいか否かを判定し(A5)、電圧V1が電圧V2より大きい場合には、太陽電池M1側にある、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組からなるスイッチング素子群の周期的なON/OFF動作のタイミングを、太陽電池M2側にあるスイッチング素子S21とスイッチング素子24の組と、スイッチング素子22とスイッチング素子S23の組からなるスイッチング素子群に対して位相角δ=π/2だけ進ませる(A6)。
If not equal, it is next determined whether or not the voltage V1 is greater than the voltage V2 (A5). If the voltage V1 is greater than the voltage V2, the switching element S11 on the solar cell M1 side is connected. The timing of periodic ON / OFF operation of the switching element group consisting of the group of the switching element S14 and the group of the switching element S12 and the switching element S13, the group of the switching element S21 and the switching
また、電圧V1が電圧V2より小さい場合には、太陽電池M2側にある、スイッチング素子S21とスイッチング素子24の組と、スイッチング素子22とスイッチング素子S23の組からなるスイッチング素子群の周期的なON/OFF動作のタイミングを、太陽電池M1側にある、スイッチング素子S11とスイッチング素子S14の組と、スイッチング素子S12とスイッチング素子S13の組からなるスイッチング素子群に対して位相角δ=π/2だけ進ませる(A7)。
When the voltage V1 is smaller than the voltage V2, the switching element S21 and the switching
次に、前記δに微少な角度Δδを加算してこれをδ1とし(A8)、この位相角δ1で電力配分回路1を動作させながら各電圧V1、V2を測定する(A9)。次いで、前記位相角δ1と、ここで測定された電圧値V1、V2を前記式(1)に代入し、このときの移動電力をP1として算定する(A10)。
Next, a minute angle Δδ is added to δ to obtain δ1 (A8), and the voltages V1 and V2 are measured while the
次に、前記δから微少な角度Δδを減算してこれをδ2とし(A11)、この位相角δ2で電力配分回路1を動作させながら各電圧V1、V2を測定する(A12)。次いで、前記位相角δ2と、ここで測定された電圧値V1、V2を前記式(1)に代入し、このときの移動電力をP2として算定する(A13)。
Next, a minute angle Δδ is subtracted from δ to obtain δ2 (A11), and the voltages V1 and V2 are measured while operating the
次に、前記2つの移動電力P1、P2が等しいか否かの判定を行い(A14)、両者が等しければ、位相角を前記δに設定し(A15)、タイマー(A4)によって設定された時間スイッチング動作を継続した後、(A1)以降を繰り返し実行する。 Next, it is determined whether or not the two mobile powers P1 and P2 are equal (A14). If they are equal, the phase angle is set to δ (A15) and the time set by the timer (A4) is set. After continuing the switching operation, (A1) and subsequent steps are repeatedly executed.
また、等しくない場合には次に、移動電力P1が移動電力P2より大きいか否かを判定し(A16)、移動電力P1が移動電力P2より大きい場合は、(A17)で先の手順(A8)で設定したδ1をδとして、再度(A8)以降の手順を実行する。また、P1がP2より小さい場合には、(A18)で、先の手順(A11)で設定したδ2をδとして、再度(A8)以降の手順を実行する。 On the other hand, if the mobile power P1 is not equal, it is determined whether or not the mobile power P1 is greater than the mobile power P2 (A16). If the mobile power P1 is greater than the mobile power P2, the previous procedure (A8) is performed in (A17). ) Is set as δ, and the procedure from (A8) onward is executed again. When P1 is smaller than P2, in (A18), δ2 set in the previous procedure (A11) is set to δ, and the procedure after (A8) is executed again.
以上に説明したように、本実施形態の電力配分回路1においては、2つの太陽電池M1、M2間で、電力配分回路1を介して発電出力の大きい側から小さい側へ配分される移動電力Pが常に最大になるように位相角δの値が制御される。
As described above, in the
図3に示すように、前記移動電力Pが最大になる位相角δで電力配分回路1が稼働している場合の最大出力動作点P’mに対応する太陽電池M1、M2の各出力電圧V1b、V2bはそれぞれ、当該電力配分回路1を動作させていない場合の最大出力動作点Pmに対応する各出力電圧V1a、V2aに対して大きくは変化していない。
As shown in FIG. 3, the output voltages V1b of the solar cells M1 and M2 corresponding to the maximum output operating point P′m when the
従って、位相角δの変化に伴う電圧V1、V2の変化は比較的小さく、前述した(1)式で算定される移動電力Pの変化は、同式中のδ(1−δ/π)に大きく影響されると考えられ、図18に示すように移動電力Pは、位相角δ=π/2の近傍で最大となる。 Therefore, the changes in the voltages V1 and V2 due to the change in the phase angle δ are relatively small, and the change in the moving power P calculated by the above-described equation (1) is δ (1-δ / π) in the equation. It is considered that it is greatly influenced, and as shown in FIG. 18, the moving power P becomes maximum in the vicinity of the phase angle δ = π / 2.
そこで、発電効率は少し低下するが、図19において、手順(A6)または(A7)を実行した後は、(A8)以降の処理を省略し、そのまま(A4)を経て(A1)から反復するようにしてもよい。 Therefore, although the power generation efficiency slightly decreases, in FIG. 19, after executing the procedure (A6) or (A7), the processing after (A8) is omitted, and the processing from (A1) is repeated through (A4). You may do it.
次に、図20は、本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、直列接続された3つの太陽電池M1、M2、M3からなる太陽光発電システムの模式図であって、同図に示すように、太陽電池M1の正極端子P1と太陽電池M3の負極端子P2は、出力電路Aを介して外部負荷と接続されている。 Next, FIG. 20 is a schematic diagram of a photovoltaic power generation system including three solar cells M1, M2, and M3 connected in series, showing another embodiment of the power distribution circuit of the present invention. As shown, the positive terminal P1 of the solar cell M1 and the negative terminal P2 of the solar cell M3 are connected to an external load via the output electric circuit A.
また、太陽電池M1の負極端子P2と太陽電池M2の正極端子P1との間と、太陽電池M2の負極端子P2と太陽電池M3の正極端子P1との間はそれぞれ、連結電路Bと連結電路B’で接続されている。また、太陽電池M1、M2、M3の正極端子P1と負極端子P2間にはそれぞれ、バイパスダイオードBD1、BD2、BD3が接続されている。 Further, between the negative electrode terminal P2 of the solar cell M1 and the positive electrode terminal P1 of the solar cell M2, and between the negative electrode terminal P2 of the solar cell M2 and the positive electrode terminal P1 of the solar cell M3, the connection electric circuit B and the connection electric circuit B, respectively. Connected with '. Further, bypass diodes BD1, BD2, and BD3 are connected between the positive terminal P1 and the negative terminal P2 of the solar cells M1, M2, and M3, respectively.
このシステムにおいては、前後に隣合う、太陽電池M1、M2間と、太陽電池M2、M3間にそれぞれ、先に説明した図1の電力配分回路1と同じ回路が組み込まれている。
In this system, the same circuit as the
また、前述した各実施形態においては、2つの太陽電池M1、M2を直列接続したシステムと、3つの太陽電池M1、M2、M3を直列接続したシステムについて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定するものではなく、太陽電池が4つ以上直列接続された太陽光発電システムにおいても適用可能である。 Moreover, in each embodiment mentioned above, although the system which connected two solar cells M1 and M2 in series and the system which connected three solar cells M1, M2, and M3 in series were demonstrated, this invention is these implementation. The present invention is not limited to the form, and can be applied to a photovoltaic power generation system in which four or more solar cells are connected in series.
本発明の太陽電池の電力配分回路は、太陽光発電システムの日陰等による太陽電池モジュールやクラスタの発電効率低下を改善するために有効に利用することができる。また、特性の異なる種類の太陽電池モジュールを組み合わせた太陽光発電システムや、フレキシブルな太陽電池を含む複数の太陽電池モジュールが、異なる向きに設置された太陽光発電システム、さらに、追尾集光型の高効率太陽光発電システムのような、集光レンズの集光特性によって個々の太陽電池セルの出力特性が異なるシステム、裏面からの太陽光も受光する両面受光型太陽電池モジュールを備えたシステム等、様々なケースにおいて発電効率を高める手段としても利用可能である。 The power distribution circuit for solar cells according to the present invention can be effectively used to improve the decrease in power generation efficiency of solar cell modules and clusters due to the shade of the solar power generation system. In addition, solar power generation systems that combine different types of solar cell modules, solar power generation systems in which multiple solar cell modules including flexible solar cells are installed in different directions, and tracking concentrating type A system with different output characteristics of individual solar cells depending on the light collection characteristics of the condenser lens, such as a high-efficiency solar power generation system, a system with a double-sided solar cell module that also receives sunlight from the back surface, etc. In various cases, it can also be used as a means for increasing power generation efficiency.
また、本発明の太陽電池の電力配分回路は、既設の太陽光発電システムにおいて、経年劣化や受光面の汚れ等によって太陽電池間の出力特性にバラツキが生じた場合における発電効率改善にも利用可能である。 In addition, the power distribution circuit for solar cells of the present invention can be used to improve power generation efficiency when the output characteristics between solar cells vary due to deterioration over time or contamination of the light receiving surface in an existing solar power generation system. It is.
1 電力配分回路
2 充放電路(第1の充放電路)
3 充放電路(第2の充放電路)
4 充放電路(第3の充放電路)
5 充放電路(第4の充放電路)
6 連絡電路(第1の連絡電路)
7 連絡電路(第2の連絡電路)
8 連絡電路(第3の連絡電路)
9 連絡電路(第4の連絡電路)
10 スイッチング制御回路
A 出力電路
B、B’ 連結電路
BD1、BD2、BD3 バイパスダイオード
C1 コンデンサ(第1のコンデンサ)
C2 コンデンサ(第2のコンデンサ)
J1〜J24 接続点
M1、M2、M3 太陽電池モジュール
T トランス
L1 巻線(第1の巻線)
L2 巻線(第2の巻線)
S11 スイッチング素子(第1のスイッチング素子)
S12 スイッチング素子(第2のスイッチング素子)
S13 スイッチング素子(第3のスイッチング素子)
S14 スイッチング素子(第4のスイッチング素子)
S21 スイッチング素子(第5のスイッチング素子)
S22 スイッチング素子(第6のスイッチング素子)
S23 スイッチング素子(第7のスイッチング素子)
S24 スイッチング素子(第8のスイッチング素子)
VS1 電圧センサ(第1の電圧センサ)
VS2 電圧センサ(第2の電圧センサ)
LPF1、LPF2 ローパスフィルタ
DESCRIPTION OF
3 charge / discharge paths (second charge / discharge paths)
4 Charging / discharging path (third charging / discharging path)
5 Charging / discharging path (fourth charging / discharging path)
6 communication circuit (first communication circuit)
7 communication circuit (second communication circuit)
8 communication circuit (third communication circuit)
9 Connection circuit (fourth connection circuit)
10 Switching control circuit A Output circuit B, B 'Connection circuit
BD1, BD2, BD3 Bypass diode C1 Capacitor (first capacitor)
C2 capacitor (second capacitor)
J1-J24 connection point
M1, M2, M3 Solar cell module T transformer L1 winding (first winding)
L2 winding (second winding)
S11 Switching element (first switching element)
S12 Switching element (second switching element)
S13 Switching element (third switching element)
S14 Switching element (fourth switching element)
S21 Switching element (fifth switching element)
S22 Switching element (sixth switching element)
S23 Switching element (seventh switching element)
S24 Switching element (eighth switching element)
VS1 voltage sensor (first voltage sensor)
VS2 voltage sensor (second voltage sensor)
LPF1, LPF2 Low pass filter
Claims (2)
前段の太陽電池の正極端子と導通する、第1の充放電路と、
前段の太陽電池の負極端子と導通する、第2の充放電路と、
後段の太陽電池の正極端子と導通する、第3の充放電路と、
後段の太陽電池の負極端子と導通する、第4の充放電路と、
一方の端が第1の充放電路と接続され、他方の端が第2の充放電路と接続された、第1の連絡電路と、
一方の端が第1の充放電路と接続され、他方の端が第2の充放電路と接続された、第2の連絡電路と、
一方の端が第3の充放電路と接続され、他方の端が第4の充放電路と接続された、第3の連絡電路と、
一方の端が第3の充放電路と接続され、他方の端が第4の充放電路と接続された、第4の連絡電路と、
第1の連絡電路に、第1の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第1のスイッチング素子と、
第1の連絡電路に、第2の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第2のスイッチング素子と、
第2の連絡電路に、第1の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第3のスイッチング素子と、
第2の連絡電路に、第2の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第4のスイッチング素子と、
第3の連絡電路に、第3の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第5のスイッチング素子と、
第3の連絡電路に、第4の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第6のスイッチング素子と、
第4の連絡電路に、第3の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第7のスイッチング素子と、
第4の連絡電路に、第4の充放電路との接続点と隣り合って組み込まれた、第8のスイッチング素子と、
一方の端が第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子の間で第1の連絡電路と接続され、他方の端が第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子の間で第2の連絡電路と接続された第1の巻線、及び、当該巻線と磁気的に結合されて、一方の端が第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子の間で第3の連絡電路と接続され、他方の端が第7のスイッチング素子と第8のスイッチング素子の間で第4の連絡電路と接続された第2の巻線を有する、巻線比1:1のトランスと、
第1の充放電路と第2の充放電路間に跨って接続された、第1のコンデンサと、
第3の充放電路と第4の充放電路間に跨って接続された、第2のコンデンサと、
前段の太陽電池の出力電圧を検出する、第1の電圧センサと、
後段の太陽電池の出力電圧を検出する、第2の電圧センサと、
前記それぞれのスイッチング素子を共通の周期でON/OFF動作を反復させる、スイッチング制御回路とを備え、
前記スイッチング制御回路は、第1と第4のスイッチング素子の組と第2と第3のスイッチング素子の組は、それぞれの組内では同位相で、且つ、これらの組間では逆位相で、第5と第8のスイッチング素子の組と第6と第7のスイッチング素子の組は、それぞれの組内では同位相で、且つ、これらの組間では逆位相で各スイッチング素子をON/OFF動作させるとともに、
第1の電圧センサの検出値が第2の電圧センサの検出値よりも大きい場合には、第1と第4のスイッチング素子の組と第2と第3のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングを、第5と第8のスイッチング素子の組と第6と第7のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングよりも所定の位相角δ(ただし、0<δ<π)だけ進相させ、
第2の電圧センサの検出値が第1の電圧センサの検出値よりも大きい場合には、第5と第8のスイッチング素子の組と第6と第7のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングを、第1と第4のスイッチング素子の組と第2と第3のスイッチング素子の組からなるスイッチング素子群のON/OFF動作のタイミングよりも所定の位相角δ(ただし、0<δ<π)だけ進相させることを特徴とする太陽電池の電力配分回路。 Each of the power distribution circuits provided between the front and rear adjacent solar cells connected in parallel with a plurality of bypass diodes and connected in series with an external load,
A first charge / discharge path that is electrically connected to the positive electrode terminal of the preceding solar cell;
A second charge / discharge path electrically connected to the negative terminal of the solar cell in the previous stage;
A third charge / discharge path electrically connected to the positive electrode terminal of the subsequent solar cell;
A fourth charge / discharge path electrically connected to the negative terminal of the subsequent solar cell;
A first communication circuit having one end connected to the first charge / discharge path and the other end connected to the second charge / discharge path;
A second communication circuit having one end connected to the first charge / discharge path and the other end connected to the second charge / discharge path;
A third communication circuit having one end connected to the third charge / discharge path and the other end connected to the fourth charge / discharge path;
A fourth communication circuit having one end connected to the third charge / discharge path and the other end connected to the fourth charge / discharge path;
A first switching element incorporated in the first communication circuit adjacent to the connection point with the first charge / discharge path;
A second switching element incorporated in the first communication circuit adjacent to the connection point with the second charge / discharge path;
A third switching element incorporated in the second communication circuit next to the connection point with the first charge / discharge path;
A fourth switching element incorporated in the second communication circuit next to the connection point with the second charge / discharge path;
A fifth switching element incorporated in the third communication circuit adjacent to the connection point with the third charge / discharge path;
A sixth switching element incorporated in the third communication circuit adjacent to the connection point with the fourth charge / discharge path;
A seventh switching element incorporated in the fourth communication circuit next to the connection point with the third charge / discharge path;
An eighth switching element incorporated in the fourth communication circuit next to the connection point with the fourth charge / discharge path;
One end is connected to the first connecting circuit between the first switching element and the second switching element, and the other end is connected to the second connecting circuit between the third switching element and the fourth switching element. A first winding connected to the first winding and magnetically coupled to the winding, and one end is connected to the third communication circuit between the fifth switching element and the sixth switching element, A transformer having a winding ratio of 1: 1, the second end having a second winding connected to the fourth connecting circuit between the seventh switching element and the eighth switching element;
A first capacitor connected across the first charge / discharge path and the second charge / discharge path;
A second capacitor connected across the third charge / discharge path and the fourth charge / discharge path;
A first voltage sensor for detecting the output voltage of the solar cell in the previous stage;
A second voltage sensor for detecting the output voltage of the solar cell in the latter stage;
A switching control circuit that repeats ON / OFF operations of the respective switching elements at a common cycle,
In the switching control circuit, the first and fourth switching element sets and the second and third switching element sets have the same phase in each set, and the opposite phases between these sets. The group of the fifth and eighth switching elements and the group of the sixth and seventh switching elements are operated in the same phase within each group, and each switching element is turned on / off with an opposite phase between these groups. With
When the detection value of the first voltage sensor is larger than the detection value of the second voltage sensor, a switching element group consisting of a set of first and fourth switching elements and a set of second and third switching elements The ON / OFF operation timing of the switching element group of the fifth and eighth switching elements and the ON / OFF operation timing of the switching element group consisting of the sixth and seventh switching elements is set to a predetermined phase angle δ ( However, the phase is advanced by 0 <δ <π)
When the detection value of the second voltage sensor is larger than the detection value of the first voltage sensor, a switching element group consisting of a set of fifth and eighth switching elements and a set of sixth and seventh switching elements The ON / OFF operation timing is set to a predetermined phase angle δ () than the ON / OFF operation timing of the switching element group including the first and fourth switching element sets and the second and third switching element sets. However, the solar cell power distribution circuit is characterized in that the phase is advanced by 0 <δ <π).
P=(V1V2/ωLs)・δ(1−δ/π)
ここで、V1は、第1の電圧センサによって検出される前段の太陽電池の出力電圧、V2は、第2の電圧センサによって検出される後段の太陽電池の出力電圧、ωは、各スイッチング素子のON/OFF動作の角周波数、Lsはトランスの漏れインダクタンスをそれぞれ表す。 The switching control circuit, based on the detection values of the first voltage sensor and the second voltage sensor, moves power transferred between the first winding and the second winding of the transformer represented by the following equation: The solar cell power distribution circuit according to claim 1, further comprising an arithmetic unit that calculates a phase angle δ at which P is maximized.
P = (V1V2 / ωLs) · δ (1-δ / π)
Here, V1 is the output voltage of the former solar cell detected by the first voltage sensor, V2 is the output voltage of the latter solar cell detected by the second voltage sensor, and ω is the output voltage of each switching element. The angular frequency of the ON / OFF operation, Ls, represents the leakage inductance of the transformer.
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JP2015077292A JP2016197354A (en) | 2015-04-05 | 2015-04-05 | Power distribution circuit for solar cell |
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